CN112033304A - 一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，用于对待测镜面物体进行三维面形重建，包括条纹显示模块、透明平板、标准平面镜、图像采集器和控制模块，同时本发明还涉及一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测方法，包括产生第一种正弦条纹；获取第一标准条纹图以及第一变形条纹图；使用第一种正弦条纹并移走透明平板或直接产生第二种正弦条纹，获取第二标准条纹图以及第二变形条纹图；利用相移技术和相位展开方法获取标准条纹图和变形图的相位分布；利用条纹的相位和高度关系进行镜面物体的三维面形重建。与现有技术相比，本发明具有精度高、实用性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术，尤其是涉及一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统及检测方法。
背景技术
三维面形信息在工业、医学、军事和空间科学等领域起着重要的作用，光学检测技术因其具有非接触、实时快速和检测精度高等优势，而被广泛地用来获取物体的三维面形信息。目前，光学检测技术主要有三坐标测量机、干涉仪和条纹偏折法等。三坐标测量机是一种逐点测量方法，并且测量头需要接触待测镜面表面，该方法测量耗时，并且容易损伤待测镜面。干涉仪的测量精度较高，但是仪器价格昂贵。条纹偏折法具有结构简单、成本低、测量精度高和操作方便等优点，广泛地应用于镜面物体的三维面形检测。
2010年，赵文川等在文章“基于相位测量偏折术的非球面镜检测方法.中国激光.2010，37(5)：1338-1341.”中通过移动显示条纹的液晶显示模块，分析相机采集的条纹，得到像素点对应的反射光线和入射光线，进而确定待测镜面的梯度信息，通过积分梯度重建待测面形。该方法中条纹显示模块的移动和积分都给测量结果带入了误差。
2016年，本发明第一发明人郭春凤等在文章“一种改进的检测非球面的相位测量偏折术”(Improved phase-measuring deflectometry for aspheric surfacestest.Applied Optics，2016.55(8)：2059-2064.)中，基于朗奇检测的几何原理对相位测量偏折术进行逆向光路分析，得到待测镜面偏离理想镜面的偏差梯度，通过积分获得待测镜面的偏差，进而重建待测镜面的三维面形。该方法避免了条纹显示模块移动给测量结果带来的误差，但是由于需要积分梯度，三维面形的测量数据存在较高的累积误差。
2018年，河北工业大学的张宗华等人公开了一种镜面物体三维形貌测量方法及装置，该专利的中国专利申请号为201811596665.8，公开了一个半透半反镜使条纹显示模块垂直于光轴的放置，分析相机采集条纹，利用条纹的相位和高度的直接关系重建待测面形。该方法无需移动条纹显示模块和积分，提高了检测精度，但是半透半反镜的使用，使光线透过和反射时偏离理想光线，给最终的测量结果带来了误差。
综上所述，对于传统的条纹偏折方法，光学元件的移动、梯度积分和改变光路的半透半反镜都会给最终的测量结果带来误差。因此，提供一种无须移动条纹显示模块、积分计算和半透半反镜使用的镜面面形检测方法是现有技术需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、实用性强的基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，用于对待测镜面物体进行三维面形检测，其特征在于，包括条纹显示模块、透明平板、标准平面镜、图像采集器和控制模块；
所述的待测镜面物体设置在标准平面镜的正面一侧，与标准平面镜相连；
所述的条纹显示模块与标准平面镜平行设置，且条纹显示模块的中心偏离待测镜面物体的光轴设置；
所述的透明平板与条纹显示模块平行，设置在条纹显示模块与待测镜面物体之间；
所述的条纹显示模块和图像采集器分别与控制模块相连；
所述的条纹显示模块中条纹发出的光透过透明平板后分别被标准平面镜和待测镜面物体反射至图像采集器处，由图像采集器采集。
优选地，所述的图像采集器为针孔相机。
优选地，所述的三维面形检测系统设有显示器、存储器、电源和人机交互模块；所述的显示器、存储器、电源和人机交互模块分别与控制模块相连。
优选地，其特征在于，所述的控制模块为CPU。
优选地，所述的条纹显示模块为条纹显示屏。
优选地，所述的透明平板为由透光材料制成的平板。
一种用于上述检测系统的镜面物体三维面形检测方法，该方法为内嵌在计算机内的程序，包括：
步骤1：产生第一种正弦条纹，将正弦值随机赋给条纹显示模块三基色中的一种或两种基色；
步骤2：获取由图像采集器采集的经标准平面镜反射的第一标准条纹图以及经待测镜面物体反射的携带物体高度信息的第一变形条纹图；
步骤3：直接使用第一种正弦条纹并移走透明平板，或者产生第二种正弦条纹；
步骤4：重新获取由图像采集器采集的经标准平面镜反射的第二标准条纹图以及经待测镜面物体反射的携带物体高度信息的第二变形条纹图；
步骤5：获取第一标准条纹图、第二标准条纹图、第一变形条纹图和第二变形条纹图的相位分布；
步骤6：利用条纹的相位和高度关系进行镜面物体的三维面形重建。
优选地，所述正弦条纹的颜色包括黑色和任意一种有彩色。
优选地，所述的正弦条纹的方向为水平方向或垂直方向。
优选地，所述的步骤6具体为：
首先确定像平面上任意像素点在条纹显示模块上的同名相位点，即具有相同相位的点，其次由折射定律和三角关系来获得待测镜面物体的高度h，高度h的计算方法为：
Δxmr＝Δx1-d(tanθ1m-tanθ1r)
其中，θm和θr分别为测量光线和标准光线分别透过透明平板的光线出射平面的出射角；l为透明平板出射平面与标准平面镜之间的距离；d为透明平板的厚度；θ1m和θ1r分别为透明平板内测量光线和标准光线与法线的夹角；Δx1为经标准平面镜和待测镜面物体反射的红光在显示屏上的间距；
最后根据条纹的相位和高度关系来进行镜面物体三维面形的重建。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、精度高：本发明中的镜面物体三维面形检测系统即检测方法无须移动任何元件，所有元件按照检测原理设计的要求固定，避免了移动给最终测量带入的误差，也无须使用半透半反镜，传统方法中半透半反镜的透过和反射都会使光线偏离理想光路，本发明避免了由此带来的误差；同时本发明利用采集条纹的相位，通过算法运算得到物体的高度信息，与传统方法中对梯度的积分运算相比，该模型避免了积分运算给最终测量结果带来的累积误差和奇异性问题，进一步提高了精度。
二、实用性强：本发明中的三维面形检测系统即检测方法降低了环境使用要求，可以在室内和室外进行检测，只要求场地能够搭建检测系统，大大提高了实用性。
附图说明
图1为本发明中三维面形检测系统的结构示意图；
图2为本发明中控制模块外设结构示意图；
图3为本发明中三维面形检测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中第一种正弦条纹的结构示意图；
图5为本发明实施例中第二种正弦条纹的结构示意图；
图6为本发明实施例中三维面形检测原理示意图。
图中标号所示：
1、条纹显示模块，2、透明平板，3、标准平面镜，4、待测镜面物体，5、图像采集器，6、控制模块，7、显示器，8、存储器，9、电源，10、人机交互模块，l为透明平板出射平面与标准平面镜之间的距离，d为透明平板的厚度，θm为测量光线透过透明平板的光线出射平面的出射角，θr为标准光线透过透明平板的光线出射平面的出射角，Δxmr为透明平板上点E和点F之间的距离。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，用于对待测镜面物体进行三维面形，其结构如图1所示，包括条纹显示模块1、透明平板2、标准平面镜3、图像采集器5和控制模块6。待测镜面物体置于标准平面镜3之前，条纹显示模块1与标准平面镜3平行设置，且条纹显示模块1的中心偏离待测镜面物体4的光轴设置。透明平板2与条纹显示模块1平行，设置在条纹显示模块1与待测镜面物体4之间，并且透明平板2紧贴条纹显示模块1设置，需要指出的是透明平板2与条纹显示模块1可以设置一定间距，具体距离的选取可以根据实际情况选取。条纹显示模块1和图像采集器5分别与控制模块6相连。
条纹显示模块1中条纹发出的光透过透明平板2后分别被标准平面镜3和待测镜面物体4反射至图像采集器5处，由图像采集器5采集条纹信息，控制模块6存储条纹信息并对其进行分析处理。
本实施例中的图像采集器5为针孔相机。
本实施例中控制模块6的外设结构如图2所示，控制模块6的外设包括显示器7、存储器8、电源9和人机交互模块10，显示器7、存储器8、电源9和人机交互模块10分别与控制模块6相连。
本实施例中的控制模块6为CPU，与显示器7、存储器8、电源9和人机交互模块10一同构成可以进行信息处理、人机交互等的数据分析处理模块。
本实施例中的透明平板2为由透光材料制成的平板，常见的有普通玻璃平板和有机玻璃平板。
本实施例中的条纹显示模块1为条纹显示屏，透明平板2选用有机玻璃平板，选用有机玻璃平板时，同时获取有机玻璃平板对各种光的折射率以及平板的厚度。
本实施例还涉及一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测方法，其流程如图3所示，包括：
步骤1：产生第一种正弦条纹，将正弦值随机赋给条纹显示模块1三基色中的一种或两种基色；
步骤2：获取由图像采集器5采集的经标准平面镜反射的第一标准条纹图以及经待测镜面物体反射的携带物体高度信息的第一变形条纹图；
步骤3：利用第一种正弦条纹并移走透明平板2，或者重新产生另一种正弦条纹；
步骤4：重新获取由图像采集器5采集的经标准平面镜反射的第二标准条纹图以及经待测镜面物体反射的携带物体高度信息的第二变形条纹图；
步骤5：利用相移技术和相位展开方法，获取第一标准条纹图、第二标准条纹图、第一变形条纹图和第二变形条纹图的相位分布；
步骤6：进行镜面物体的三维面形重建，具体方法为：
首先确定像平面上任意像素点在条纹显示模块1上的同名相位点，即具有相同相位的点。其次由折射定律和三角关系来获得待测镜面物体4的高度h，高度h的计算方法为：
Δxmr＝Δx1-d(tanθ1m-tanθ1r)
其中，θm和θr分别为测量光线和标准光线分别透过透明平板2的光线出射平面的出射角；l为透明平板2出射平面与标准平面镜3之间的距离；d为透明平板2的厚度；θ1m和θ1r分别为透明平板2内测量光线和标准光线与法线的夹角；Δx1为经标准平面镜3和待测镜面物体4反射的红光在显示屏上的间距，最后根据条纹的相位和高度关系来进行镜面物体三维面形的重建。
本实施例中的正弦条纹包括黑色和任意一种有彩色，正弦条纹的方向为水平方向或垂直方向。
下面以条纹显示模块1分别显示两种垂直正弦条纹为例说明上述系统和方法的工作过程：
首先如图1和图2所示的系统，将标准平面镜3和条纹显示模块1垂直光轴放置，条纹显示模块1的中心偏离光轴，透明平板2平行于条纹显示模块1，设置于标准平面镜3和条纹显示模块1之间，并且透明平板2紧贴着条纹显示模块1。条纹显示模块1中条纹发出的光透过透明平板2后，分别被标准平面镜3和待测镜面物体4反射，由图像采集器5接收，控制模块6及其外设存储并分析图像。
然后进行垂直正弦条纹的设计，控制模块6将正弦值赋给条纹显示屏三基色中的红色，其余两种颜色赋值为零，由红和黑组成的正弦条纹如图4所示，图4中深色条纹部分为黑色条纹，浅色条纹部分为红色条纹。随后将相同的正弦值赋给条纹显示屏三基色中的红色和蓝色，绿色幅值为零，红色和蓝色混合后为紫色，形成如图5所述的紫色和黑色组成的正弦条纹，图5中深色条纹为黑色条纹，浅色条纹为紫色条纹。
图像采集器5采集到一标准条纹图、第二标准条纹图、第一变形条纹图和第二变形条纹图。利用三步相移技术和空间相位展开方法，得到标准条纹图像和变形条纹图像的相位分布。
最后对待测镜面物体进行三维面形重建。
这一步中首先需要确定像平面上任意像素点在显示屏上的同名相位点，即具有相同相位的点，其次由折射定律和三角关系来获得镜面物体的高度，检测原理如图6所示，建立直角坐标系oxz，oz为光轴。
然后寻找采集图像和条纹显示屏显示的条纹图的同名相位点，在上述步骤中已经得到了标准条纹与变形条纹上任意像素点A的相位，对红黑组成的标准条纹图，像素点A在条纹显示屏上相位相同的点为R1，对于紫黑组成的标准条纹图，像素点A在显示屏上相位相同的点为R2；对于红黑组成的变形条纹图，像素点A在显示屏上相位相同的点为M1，对于紫黑组成的变形条纹图，像素点A在显示屏上相位相同的点为M2。
假定图像采集器5为针孔模型相机，逆向分析光路，
假定相机为针孔模型，逆向分析光路，从像平面发出的光线AC，经标准平面镜T点反射后，反射光线与玻璃平板平面交于E，光线TE的入射角为θr。玻璃平板对不同颜色的光有不同的折射率，因此，红光光线和紫光光线TE经过玻璃平板不同的路径后，分别与显示屏交于R1和R2。同理，从像平面发出的光线AC，经待测镜表面S点反射后，反射光线与玻璃平板平面交于点F，光线SF的入射角为θm，红光光线和紫光光线SF也经过玻璃平板的不同路径与显示屏分别交于M1和M2。
在测量原理图图6中，将玻璃平板平面上的EF记为Δxmr，利用折射定律和三角关系可以推导出物体的高度h为：
Δxmr＝Δx1-d(tanθ1m-tanθ1r)
其中，θm和θr分别为测量光线和标准光线透过透明平板2的光线出射平面的出射角；l为透明平板2出射平面与标准平面镜3之间的距离；d为透明平板2的厚度；θ1m和θ1r分别为透明平板2内测量光线和标准光线与法线的夹角；Δx1为经标准平面镜3和待测镜面物体反射的红光在显示屏上的间距，即图6中的R1M1。
根据上述一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统及检测方法，由三步相移技术和空间相位展开方法获得采集条纹的相位分布，通过找采集条纹图任一像素点和显示屏上显示的条纹图的同名相位点，又已知玻璃平板对红光和紫光的折射率以及厚度，可获得θm和θr；再由折射定律得到θ1m和θ1r，从而得到Δxmr，玻璃平板出射平面和标准平面镜的距离由激光测距仪得到，最后根据高度h的计算公式，可以计算出镜面物体距离标准平面镜的高度，进而重建镜面物体三维面形。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，用于对待测镜面物体(4)进行三维面形检测，其特征在于，包括条纹显示模块(1)、透明平板(2)、标准平面镜(3)、图像采集器(5)和控制模块(6)；
所述的待测镜面物体(4)设置在标准平面镜(3)的正面一侧，与标准平面镜(3)相连；
所述的条纹显示模块(1)与标准平面镜(3)平行设置，且条纹显示模块(1)的中心偏离待测镜面物体(4)的光轴设置；
所述的透明平板(2)与条纹显示模块(1)平行，设置在条纹显示模块(1)与待测镜面物体(4)之间；
所述的条纹显示模块(1)和图像采集器(5)分别与控制模块(6)相连；
所述的条纹显示模块(1)中条纹发出的光透过透明平板(2)后分别被标准平面镜(3)和待测镜面物体(4)反射至图像采集器(5)处，由图像采集器(5)采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，其特征在于，所述的图像采集器(5)为针孔相机。
3.根据权利要求1所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，其特征在于，所述的三维面形检测系统设有显示器(7)、存储器(8)、电源(9)和人机交互模块(10)；所述的显示器(7)、存储器(8)、电源(9)和人机交互模块(10)分别与控制模块(6)相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，其特征在于，所述的控制模块(6)为CPU。
5.根据权利要求1所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，其特征在于，所述的条纹显示模块(1)为条纹显示屏。
6.根据权利要求1所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测系统，其特征在于，所述的透明平板(2)为由透光材料制成的平板。
7.一种用于如权利要求1所述检测系统的镜面物体三维面形检测方法，该方法为内嵌在计算机内的程序，其特征在于，包括：
步骤1：产生第一种正弦条纹，将正弦值随机赋给条纹显示模块(1)三基色中的一种或两种基色；
步骤2：获取由图像采集器(5)采集的经标准平面镜反射的第一标准条纹图以及经待测镜面物体反射的携带物体高度信息的第一变形条纹图；
步骤3：直接使用第一种正弦条纹并移走透明平板(2)，或者产生第二种正弦条纹；
步骤4：重新获取由图像采集器(5)采集的经标准平面镜反射的第二标准条纹图以及经待测镜面物体反射的携带物体高度信息的第二变形条纹图；
步骤5：获取第一标准条纹图、第二标准条纹图、第一变形条纹图和第二变形条纹图的相位分布；
步骤6：利用条纹的相位和高度关系进行镜面物体的三维面形重建。
8.根据权利要求7所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测方法，其特征在于，所述正弦条纹的颜色包括黑色和任意一种有彩色。
9.根据权利要求7所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测方法，其特征在于，所述的正弦条纹的方向为水平方向或垂直方向。
10.根据权利要求7所述的一种基于条纹偏折的镜面物体三维面形检测方法，其特征在于，所述的步骤6具体为：
首先确定像平面上任意像素点在条纹显示模块(1)上的同名相位点，即具有相同相位的点，其次由折射定律和三角关系来获得待测镜面物体(4)的高度h，高度h的计算方法为：
Δxmr＝Δx1-d(tanθ1m-tanθ1r)
其中，θm和θr分别为测量光线和标准光线分别透过透明平板(2)的光线出射平面的出射角；l为透明平板(2)出射平面与标准平面镜(3)之间的距离；d为透明平板(2)的厚度；θ1m和θ1r分别为透明平板(2)内测量光线和标准光线与法线的夹角；Δx1为经标准平面镜(3)和待测镜面物体(4)反射的红光在显示屏上的间距；
最后根据条纹的相位和高度关系来进行镜面物体三维面形的重建。
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